電氣化鐵路對電力系統的影響分析

范旋

（中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司，陜西神木719300）

1 引言

電氣化機車中沒有自帶很重的引擎以及燃料，其能量由鐵路動力系統提供，即對沿線牽引變電所輸送電力的外部供電系統，以及從牽引變電所經降壓、變相或換流（轉換為直流電）后，向電力機車、動車組供電的變、直流牽引供電系統。其中，牽引變電站可以恢復高壓輸電線路的高壓電流,然后輸送到鐵路的空中聯絡網，用弧線牽引電力機車，從而帶動車輛行駛。電氣化鐵路是伴隨著電力機車的出現而產生的，電氣化鐵路具有節省能源的優勢，其熱效率可以達到20%～26%，在運輸能力、功率以及牽引量等方面有較大的優勢。除此之外，還具有維修少、噪聲小、資源消耗少等優勢。

2 電力系統分析

一個完整的電力系統由發電廠、升壓和降壓變電所、輸電線路及電力用戶組成，它們分別完成電能的生產、電壓變換、電能的輸配及使用[1]。電氣系統是電能生產和消耗系統。在各個工業部門，電氣系統是最大、最復雜的實時物理系統，其功能是通過發電將自然一次能源轉化為電能，然后通過運輸、加工和配送為各用戶提供電能。為了實現此功能，電氣系統還具有位于不同級別和鏈接的相應信息和控制系統，以測量、調整、控制、保護、通信和分配生產過程。

3 電氣鐵路和電力供應

3.1 電力線路基礎概念

電力線路是指在發電廠、變電站和電力用戶間用來傳送電能的線路。它是電氣化鐵路的重要組成部分，擔負著輸送和分配電能的任務。

3.2 諧波對電力系統的影響

諧波電流對電力系統有很大的影響，會引起諧振并損壞無功功率電容器組。電力機車是電力牽引系統中最重要的諧波源，其諧波含量是最重要的電氣性能指標之一。電力機車具有非常低的基本功率，是電力牽引系統的感性負載，并且諧波的存在降低了總功率因數。

在電力系統中，網絡節點是交錯的，有功功率流、無功功率流、高次諧波和反向電流以光速傳輸到整個系統，不僅可以傳遞巨大的力量，還可以立即引起重大的災難性事故。為了確保系統安全、穩定和經濟地運行，必須根據不同的要求在電力系統中配置各種自動控制和通信系統，以形成信息和控制子系統。子系統電氣系統的信息和控制是神經元網絡，用于在電氣系統中傳遞信息，從而對電力系統進行觀察和控制，并且便于在發生事故時進行應急處理。從電氣系統的誕生開始，信息和控制子系統就成為電氣系統的重要組成部分。影響電網的安全性，可靠性和穩定性，導致正常停電，電網破裂和事故擴大。另外，還會引起嚴重的問題，例如，設備壽命縮短，電網中的功率損耗增加，接地保護異常，遠程控制故障以及線路和設備過熱。增加附近磁場的干擾，影響電子儀器和通訊系統的正常運行，會引起局部串聯或并聯諧振，損壞電壓和其他設備，延長滅弧時間，并影響斷路器的分斷能力。

4 電氣化鐵路對鐵路運輸的影響

電氣化鐵路網的高諧波含量、低功率因數和負序連續性嚴重影響了電氣化鐵路的發展。電氣化鐵路的電力牽引是一種沒有能量的電力機車，所需的能量由電牽引系統提供。牽引力供應系統主要涉及牽引力站和接觸網。變電站位于鐵路線附近，通過高壓傳輸線路將電力從工廠輸送到鐵路線上的懸鏈線。懸鏈線是直接將電能提供給電力機車的設備。電氣化鐵路是從外部牽引力和能源系統獲取電能并被電力機車牽引的鐵路，包括電力機車、維修設施、牽引動力系統、各種電器和通信、信號和其他鐵路運輸設備[2]。電氣化鐵路是一種現代化的鐵路運輸方式，它比傳統的鐵路具有技術和經濟優勢。由于電力機車由外部電源供電，不需要自己的電源，可減小輕質量，因此，在每個軸的相同負載下，機車功率高，牽引力大，速度快，運輸能力大大提高，節能降耗。鐵路運輸是國家一級的主要能源消耗。因此，牽引方式的選擇對合理利用能源具有重要意義。

5 電氣化鐵路對電氣系統的影響

5.1 對發電機的影響

渦輪發電機轉子是敏感部件，因為渦輪發電機轉子的諧波和負溫升大于定子，因此，過熱事故會損壞轉子組件的安裝表面，并且當順序反向電流流過發電機時，會產生反向磁場。該反向磁場產生反向同步轉矩，該反向同步轉矩產生附加振動。諧波還會在電動機中引起振動和噪聲，而長期的振動會導致金屬疲勞和機械損壞。對于靠近牽引站且遠離電源（電動遙控器）的異步電動機，應將定子繞組纏繞在敏感位置，具有結構簡單、制造方便、價格便宜、運行方便等特點，對驅動球磨機、壓縮機等大功率、低轉速的機械設備，常采用同步電機。

5.2 對電力變壓器的影響

諧波電流會在變壓器繞組中產生額外損耗，導致外殼、外部硅鋼板和某些緊固件過熱以及局部過熱，從而加速變壓器的老化,并影響其使用。使三相電流不對稱，當最大一相電流達到額定值或允許過載值時，較小的兩相電流還小于該值，從而使變壓器容量利用率下降。負序電流造成變壓器的附加電能損失，并在變壓器鐵芯磁路中造成附加發熱。另外，三相電源系統的反向電流不平衡，導致變壓器額定輸出不足（變壓器容量降低）。

5.3 對輸電線路的影響

我國目前在線運行電力機車是一種單相大功率整流負荷，而且運行具有很大的隨機性，這樣在運行過程中會產生大量的諧波與負序電流，其通過牽引變電站會注入電力系統，不僅會使電力系統損耗増大、能量損失巨大、降低容量利用率，還會對電網電能質量造成一定的影響，威脅電力系統的穩定、安全、經濟運行。

6 結語

鐵路和電力是國家的2 個重要基礎設施，肩負著促進國民經濟的健康、快速發展并滿足廣大人口不斷增長的需求的責任。電力鐵路的供電不僅取決于牽引電力系統的供電能力和質量，還影響著電網能量的質量以及電網運行的安全可靠，需要深入研究和科學決策。相關部門應加強與能源部門的溝通和協商，并根據國家的整體情況，共同研究制定合理的供電計劃和質量控制措施。電氣化鐵路用電，促進鐵路與能源協調發展，為提高人們的生活水平做出更大貢獻。